Телевизионные методы визуализации объектов и процессов в химически агрессивных средах

Развитие и совершенствование цифровых телевизионно-диагностических систем способствует широкому распространению в различных отраслях — машиностроении, металлургии, химическом, стекольном производстве — телевизионных методов визуализации объектов и процессов, отличающихся высокой чувствительностью, отсутствием инерционных погрешностей и влияния на объект исследования.

Промышленные телевизионные системы визуализации и наблюдения, обладающие химической стойкостью, представляют особую актуальность на производствах с экстремальными технологическими условиями с применением химически агрессивных веществ (в том числе, плавиковой кислоты), где пребывание человека-оператора сопряжено с известными для жизни опасностями. Существующий ограниченный перечень химически стойких телевизионных камер не включает в себя образцы, устойчивые, в частности, по отношению к плавиковой кислоте.

Создание телевизионных камер, устойчивых к воздействию паров плавиковой кислоты требует применения новых конструкционных материалов корпуса и входного окна. Особые перспективы в данном вопросе открывают наноматериалы.

Отдельного внимания требует задача предотвращения проникновения агрессивной внешней среды внутрь корпуса телевизионной камеры через стенки корпуса, неплотности и микроотверстия в стыках деталей, которая может решаться не только посредством повышения степени герметичности конструкции, но и подачей внутрь корпуса телевизионной камеры инертного газа под давлением.

Экстремальные условия эксплуатации химически стойкой телевизионной камеры порождают проблему удалённости наблюдений, то есть обеспечения канала связи. Канал связи может быть выполнен в беспроводном или проводном исполнении, предназначенном как для подачи электропитания и управления телевизионной камерой, так и для подачи внутрь корпуса инертного газа под давлением.

Применение современных фотоприемных устройств в составе телевизионного модуля позволяет получать изображения наблюдаемых процессов и явлений с высоким разрешением и цветопередачей, однако уровень и тип освещенности, различного рода искажения в оптическом канале значительно влияют на качество изображений и требуют разработки моделей и проведения соответствующих расчетов.

Задачи промышленных телевизионных систем также включают в себя измерение величин. Среди подобных задач дистанционное измерение концентрации химических веществ, геометрических размеров различных объектов, в том числе, слоев — тепловых и гидродинамических, измерение температур, измерение скоростей потоков и т. п.

В рамках систем телевизионной визуализации объектов и процессов представляют интерес методы цифровой обработки телевизионных изображений и методы компьютерного моделирования исследуемых процессов, позволяющие повысить точность измерений, достоверность распознавания событий, а также спрогнозировать их развитие.

Целью данной диссертационной работы является разработка телевизионных методов визуализации объектов и процессов на основе химически стойкой телевизионной камеры для экстремальных условий эксплуатации.

Методы исследования.

При проведении экспериментальных исследований применялись методы:

— методы линейных измерений- - метод Теплера;

— методы термометрии- - метод наклонных решеток;

— методы фотометрии- - методы оптической спектроскопии;

— прецизионный весовой метод- - металлографические методы;

— телевизионно-индикаторный (химическое травление, оптическая метод (цветовых меток) — микроскопия).

Использовались математические методы расчета и статистической обработки экспериментальных данных с применением ЭВМ.

Научная новизна.

1. С использованием оптического входного окна из наноматериала, обладающего химической, радиационной стойкостью и селективным коэффициентом пропускания (поглощения) света, проводных и беспроводных принципов организации канала связи и питания, методов и систем, обеспечивающих надежность конструкции в экстремальных условиях эксплуатации, разработан новый класс телевизионных камер, обладающих повышенной химической стойкостью, в том числе к парам плавиковой кислоты.

2. Разработан телевизионно-индикаторный метод, позволяющий осуществлять диагностику газообразных технологических сред с возможностью видеонаблюдения объектов и процессов. Экспериментально апробированы базовые алгоритмы цифровой обработки цветных изображений индикаторов для дистанционного определения концентрации агрессивных веществ.

3. Разработан и экспериментально апробирован цифровой телевизионно-теневой метод визуализации оптических неоднородностей по принципу деформации регулярного линейно-наклонного контраста для диагностики микрогетерогенных систем.

4. Впервые предложен и апробирован цифровой контурный метод, позволяющий частично автоматизировать процесс цифровой обработки телевизионного изображения деформированного теневого линейно-наклонного контраста и рассчитывать профиль толщин пограничного слоя.

5. Разработаны физические и оптико-геометрические модели телевизионных систем визуализации объектов и процессов в химически агрессивных средах, позволяющие оценивать телевизионный сигнал с учетом параметров исследуемого объекта, среды, оптической системы и матричного фоточувствительного приёмника.

Практическая ценность.

— Предложены и реализованы варианты конструкций химически стойких телевизионных камер.

— Разработаны алгоритмы и программное обеспечение, позволяющее по изображениям, полученным с помощью телевизионных методов визуализации объектов и процессов в химически агрессивных средах, определять концентрации агрессивных веществ и рассчитывать профиль толщин пограничного слоя.

— Предложена методика выполнения энергетического расчета телевизионной системы визуализации с лазерной подсветкой.

Научные положения.

1. Методы, основанные на использовании легированного и нелегированного наноматериала, обладающего политипной самоорганизацией, проводных и беспроводных принципах организации канала связи и питания, систем создания и поддержания избыточного давления газа, позволяют создать новый класс телевизионных камер, обладающих повышенной химической стойкостью, в том числе к парам плавиковой кислоты.

2. Телевизионно-индикаторный метод, основанный на формирования цветного телевизионного изображения сенсора — индикатора, помещенного в химически агрессивную среду и реализации алгоритмов цифровой обработки изображения, позволяет осуществлять измерение концентрации агрессивного вещества с точностью не ниже 15% в помещениях с различной освещенностью.

3. Контурный метод, основанный на цифровых алгоритмах обработки телевизионного изображения деформированного теневого линейно-наклонного контраста, позволяет измерять профиль толщин пограничного слоя с точностью не ниже 5%.

Реализация в науке и технике.

Результаты диссертационной работы апробированы и внедрены в ОАО «НИИПТ «Растр» в созданной химически стойкой телевизионной камере «КТП-322». Кроме того, результаты диссертационной работы используются в НовГУ им. Ярослава Мудрого в лекционных курсах и лабораторном практикуме для студентов специальности «Проектирование и технология электронных средств», «Микроэлектроника и твердотельная электроника».

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

— международных научно-технических конференциях («Современное телевидение», Москва, 2007.2011 г. г.- «Телевидение: передача и обработка изображений», С-Пб, 2007, 2008 г. г.- «Проблемы проектирования и производства радиоэлектронных средств», Новополоцк, Беларусь, 2008 г.- «XXXV Гагаринские чтения», Москва, 2009 г.);

— всероссийских научно-технических конференциях («Модернизация региона — модернизация страны: поиск национальной модели», В. Новгород, 2007 (доклад занял I место по секции «Новые веяния в технике и технологии») — «VI Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых», С-Пб., 2009 г.- «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России», Муром, 2010 г.);

— «Научная конференция преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ», В. Новгород, 2007 — 2011 г. г.) — конкурсах («Городская выставка научно-технического творчества», 2007 г.: награждена дипломом «СПЕЦПРИЗ» в номинации «Радиоэлектроника" — победитель программы «У.М.Н.И.К.» за 2009/2010, 2010/2011 уч.г.- «Перспектива 2010»: I место в номинации «Радио-, вычислительная техника, электроника»).

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке программы «У.М.Н.ИК «2009;2011г., «Перспектива 2010», Министерства образования и науки РФ, проект 2 12/11 324.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 28 научных работ, из которых 7 статей, в том числе, 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, тезисы к 19 докладам на международных и всероссийских научно-технических конференциях, 1 учебно-методическая работа, 1 патент РФ.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 127 наименований и 6 приложений.

Выводы по главе 4.

1. Разработанные и апробированные телевизионные контурные методы диагностики микрогетерогенных систем позволяют визуализировать температурные поля конвективных потоков и дают возможность оценивать структуру тепловых пограничных слоев, формируемых источниками тепла в оптически прозрачных средах с точностью не ниже 5%.

2. Яркостный контраст на изображениях, полученных с помощью контурных телевизионных методов, показывает характер распределения показателя преломления в конвективном потоке вокруг резистора и совпадает с типическими структурами конвективных потоков вокруг тел цилиндрической формы. Анализ экспериментальных и теоретических кривых зависимости контраста изображений оптической неоднородности от ширины открытой части изображения источника света при равных внешних условиях, проведенный с учетом погрешностей и искажений, показал достаточную степень совпадения.

3. Метод оптимизации энергетических характеристик JITC, разработанный на базе физической и оптико-геометрической моделей JITC «Луч-K» позволяет оценить контраст теневого изображения в зависимости от мощности источника излучения и внешних условий.

4. Предложенный в работе метод численной обработки экспериментальных телевизионных теневых изображений позволяет осуществлять моделирование распределения температур в пределах конвективного потока и строить графики распределения температур, градиентов температур, теплопроводности, и теплового потока по выделенным направлениям. Созданная тепловая модель достаточно надежно описывает температурное поле конвективного потока вокруг объекта. При этом наблюдается высокая степень совпадения результатов в рамках модели.

5. Программное обеспечение «Kontur 1.0» позволяет (в том числе, в режиме реального времени) в рамках метода наклонных решеток проводить исследование геометрических параметров оптических неоднородностей различной природы.

Заключение

.

Телевизионные методы визуализации и измерения параметров оптических неоднородностей, разработанные и исследованные в данной работе, позволили решить задачи, нацеленные на получение и обработку телевизионных изображений объектов и процессов, локализованных в химически агрессивных средах.

В итоге проделанной работы были получены следующие основные результаты:

1. Выполнен анализ принципов построения, характеристик и осуществлена классификация существующих телевизионных фест-систем.

2. Разработаны методы, основанные на использовании легированного и нелегированного наноматериала, обладающего политипной самоорганизацией, проводных и беспроводных принципах организации канала связи и питания, систем создания и поддержания избыточного давления газа, позволяют создать новый класс телевизионных камер, обладающих повышенной химической стойкостью, в том числе к парам плавиковой кислоты.

3. Экспериментальные исследования химической стойкости образцов входных окон из 6Н-81С<�У> показало, что под воздействием НС1 и Ш7 они не меняют свою массу и коэффициент пропускания в диапазоне длин волн видимого светаот 400 до 750 нм.

4. Модель-система регулярных пор, представляющая неплотности стыковых соединений корпуса телевизионной камеры в виде системы регулярных цилиндрических пор позволила оценить объемный расход инертного газа в соответствии с уравнением Пуазейля. Расчеты показали, что в зависимости от свойств материала корпуса (качества его обработки, размеров микропор), свойств инертного газа, величины давления инертного газа внутри корпуса, геометрических размеров стыковых соединений показали, что максимальное значение расхода газа может составлять Q = (10″ 2 — 20) л/ч].

5. Численными методами конечных объёмов и конечных элементов с использованием стандартных пакетов программ были реализованы модели полей скоростей утечек и температурных полей химически стойкой телевизионной камеры с поддувом, учитывающие наиболее существенные черты конструкции аппарата и протекающих в нем процессов. Температурный режим химически стойкой телевизионной камеры не выходит за рамки рабочих температур.

6. Телевизионно-индикаторный метод, основанный на формирования цветного телевизионного изображения сенсора-индикатора, помещенного в химически агрессивную среду и реализации алгоритмов цифровой обработки изображения, позволяет осуществлять измерение концентрации агрессивного вещества с точностью не ниже 15% в помещениях с различной освещенностью и отличается малой инерционностью, простотой и разнообразием вариантов реализации, чувствительностью, наглядностью результатов измерения, безопасностью для исследователя.

7. Разработанное программное обеспечение «Metka 1.0» позволяет автоматизировать процесс калибровки цветовых химических индикаторов и последующих измерений.

8. Разработанные и апробированные телевизионные контурные методы диагностики микрогетерогенных систем позволяют визуализировать температурные поля конвективных потоков и дают возможность оценивать структуру тепловых пограничных слоев, формируемых источниками тепла в оптически прозрачных средах с точностью не ниже 5%.

9. Метод оптимизации энергетических характеристик J1TC, разработанный на базе физической и оптико-геометрической моделей JITC «Луч-K» с достаточной степенью достоверности относительно экспериментальных данных позволяет оценить контраст теневого изображения в зависимости от внешних условий.

10. Предложенный в работе метод численной обработки экспериментальных телевизионных теневых изображений позволяет осуществлять моделирование распределения температур в пределах конвективного потока и построить графики распределения температур, градиентов температур, теплопроводности, и теплового потока по выделенным направлениям. Созданная тепловая модель надежно описывает температурное поле конвективного потока вокруг объекта. При этом наблюдалась высокая степень совпадения результатов в рамках модели.

11. Применение впервые разработанного программного обеспечения «Kontur 1.0», реализующего цифровые алгоритмы обработки телевизионного изображения деформированного теневого линейно-наклонного контраста, позволяет измерять профиль толщин оптических неоднородностей различной природы с точностью не ниже 5%.

Список научных трудов.

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

1. Карачинов В. А., Разумовская A.O., Челпанов В. И., Карачинов Д. В. Исследование температурного поля конвективных потоков вокруг резистора// Проектирование и технология электронных средств. — 2006 г. -№ 4. — С. 16−19.

2. Карачинов В. А., Казакова М. В., Разумовская А. О., Торицин С. Б. Математическое моделирование системы формирования изображения телевизионного эндоскопа промышленного назначения // Системы и средства связи телевидения и радиовещания, № 1, 2, 2010, с. 125−128.

3. Карачинов В. А., Торицин С. Б., Разумовская А. О., Карачинов Д. В., Быстрова В. Г. Лазерно-телевизионная система оптической локации перцептивной структуры биоорганизмов в жидких средах // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания. 2011. № 1−2. С. 79−81.

Патенты.

4. Патент № 2 420 819 МПК Н01 В 9/06. Газонаполненный кабель с заглушкой/ В. А. Карачинов, А. О. Разумовская, Д.В. Карачинов// Б.И.- 2011;№ 16.

Статьи в других изданиях.

5. Карачинов В. А., Разумовская А. О., Джеренов И. Г., Торицин К. С., Гилев М. А. Исследование температурного поля конвективных потоков телевизионным методом// Вестник НовГУ, № 46, 2008 г, с. 51−54.

6. Карачинов В. А., Разумовская А. О., Ильин C.B. Исследование микрогетерогенных систем телевизионным методом // Вестник НовГУ, сер. техн. науки, № 50, 2009, с. 58−61.

7. Карачинов В. А., Разумовская А. О., Джеренов И. Г., Челпанов В. И. Оптимизация энергетических характеристик теневого телевизионного прибора на основе ПЗС-матрицы // Системы и средства связи телевидения и радиовещания, № 1,2, 2009, с. 77−81.

8. Карачинов В. А., Разумовская А. О., Челпанов В. И. Визуализация и исследование температурных полей микрогетерогенных систем с парными источниками тепла // Системы и средства связи телевидения и радиовещания, № 1,2, 2009, с. 82−84.

Учебно-методические работы.

9. Карачинов В. А., Разумовская А. О., Ильин C.B. Исследование процессов свободной конвекции в жидкости телевизионным методом. // Лабораторный практикум В. Новгород: НовГУ им. Я. Мудрого, 2011. — 35 с.

Тезисы докладов.

10. Карачинов В. А., Разумовская А. О., Карачинов Д. В. Цифровые методы визуализации и обработки теневых изображений в лазерно-телевизионных системах // 15-я Всероссийская научно-техн. конф. «Современное телевидение», труды. М.: ФГУПМКБ «Электрон», 2007. — 229с.

11. Карачинов В. А., Разумовская А. О., Карачинов Д. В., Челпанов В. И. Исследование оптических свойств кристаллов карбида кремния телевизионным методом // 15-я Всероссийская научно-техн. конф. «Современное телевидение», труды. М.: ФГУПМКБ «Электрон», 2007. — 229с.

12. Разумовская А. О. Исследование температурного поля конвективных потоков вокруг резистора // XIV научная конф. преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ, тезисы докладов. В. Новгород, НовГУ им. Я. Мудрого, 2007.

13. Карачинов В. А., Разумовская А. О., Карачинов Д. В., Челпанов В. И., Торицин С. Б. Цифровые методы визуализации и обработки теневых изображений в лазерно-телевизионных системах // 5-я Международная конф. «Телевидение: передача и обработка изображений», материалы. С-Пб, 2007. -с. 56−58.

14. Карачинов В. А., Разумовская А. О., Телевизионные методы исследования температурных полей в лабораторном практикуме студентов // 16-я Всероссийская научно-техн. конф. «Современное телевидение», труды. М.: ФГУПМКБ «Электрон», 2008. — с.75−77.

15. Разумовская А. О. Телевизионные методы исследования температурных полей в лабораторном практикуме студентов // XV научная конф. преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ, тезисы докладов. В. Новгород, НовГУ им. Я. Мудрого, 2008. — с. 252.

16. Разумовская А. О., Джеренов И. Г. Телевизионные методы исследования температурных полей в изучении технических дисциплин // 6-я Международная конф. «Телевидение: передача и обработка изображений», материалы. С-Пб, 2008.

17. Карачинов В. А., Джеренов И. Г., Разумовская А. О. Термоанемометр на основе карбида кремния // 5-я международная конф. «Проблемы проектирования и производства радиоэлектронных средств», материалы. Новополоцк, Беларусь, 2008.

18. Карачинов В. А., Разумовская А. О., Методика оптимизации энергетических характеристик лазерно-телевизионной системы // 17-я Международная научно-техн. конф. «Современное телевидение», труды. М.: ФГУПМКБ «Электрон», 2008. — с.68−71.

19. Разумовская А. О., Карачинов Д. В., Ильин C.B., Цифровые методы визуализации и обработки теневых изображений температурных полей в лазерно-телевизионных системах // Международная молодежная научная конференция «XXXV Гагаринские чтения». М.: «МАТИ"-РГТУ им. К. Э. Циолковского, 2009.

20. Разумовская А. О., Карачинов Д. В., Ильин C.B. Визуализация и обработка теневых изображений в лазерно-телевизионных системах // VI Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, сборник трудов. С-Пб.: СПбГУ ИТМО, 2009.

21. Разумовская А. О. Визуализация и обработка теневых изображений конвективных потоков при стационарных и нестационарных тепловых нагрузках // Сборник конкурсных научных работ аспирантов и молодых ученых по направлению «Стратегическое партнерство ВУЗов и предприятий радиоэлектронной промышленности», С.-Пб, 2009. — с. 46−55.

22. Карачинов В. А., Разумовская А. О., Казакова М. В., Ильин C.B.

Исследование микрогетерогенных систем с парными источниками // Тезисы докл. 18-я Международная научно-техн. конф. «Современное телевидение», труды. М.: ФГУПМКБ «Электрон», 2010. — с. 100−103.

23. Карачинов В. А., Казакова М. В., Разумовская А. О., Карачинов Д. В., Пуляев М. П Пирометр телевизионный эндоскопического типа с вихревым охлаждением // 18-я Международная научно-техн. конф. «Современное телевидение», труды. М.: ФГУПМКБ «Электрон», 2010. -с.104−106.

24. Карачинов В. А., Разумовская А. О. Коррозионностойкая телевизионная камера // XVII научная конф. преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ, труды. В. Новгород, НовГУ им. Я. Мудрого, 2010.

25. Карачинов В. А., Разумовская А. О., Казакова М. В. Цифровое моделирование гидродинамического и теплового режима телевизионного эндоскопа // Всероссийской межвузовской научной конференции «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России». Муром: ИПЦ МИ ВлГУ., 2010. — с.887−888.

26. Карачинов В. А., Разумовская А. О., Казакова М. В., Ильин C.B. Телевизионная система оптической локации биоорганизмов в жидких средах // Тезисы докл. 19-я Международная научно-техн. конф. «Современное телевидение», труды. М.: ФГУПМКБ «Электрон», 2011. — с.72−75.

27. Разумовская А. О. Измерительная система на базе химически стойкой камеры// Тезисы докл. XVIII научная конф. Преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ, труды. В. Новгород, НовГУ им. Я. Мудрого, 2011.

28. Разумовская А. О., Ильин C.B., Казакова М. В., Карачинов В. А. Телевизионные методы диагностики пограничных слоев в микрогетерогенных системах// Тезисы докл. Международной научной школы «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях». М.: Издательский дом МЭИ, 2011. — с.57−58.